基于狭缝空间光整形的飞秒激光可控表面形貌研究及其应用

• 作 者: 王天媛
• 出 处: 北京理工大学
• 发表日期: 2016年01期
• 关键词: 飞秒激光 微/纳结构 可控调控 仿生表面 各向异性浸润特性

功能性表面制造领域起源于自然界中生物体的仿生,荷叶的自清洁特性、鲨鱼表皮的减阻特性、蜘蛛丝的集水特性和蝴蝶翅膀明亮的颜色等都为仿生结构的设计提供了新的思路。研究发现生物体具备的这些特性都与表面的微/纳结构相关,正是这些微/纳结构的不同组合改变了材料的光学、力学和表面浸润特性等。因此,探寻简单高效的微/纳加工方法对仿生表面的制备具有重要意义。飞秒激光由于其超快、超高和超强的独特优势,在近年来得到了广泛的应用,为传统加工提供了新思路,为制造领域提供了新方法。尤其在微/纳加工领域,飞秒激光独特的非线性加工过程提高了加工精度,可以实现材料表面加工尺寸的亚微米特征以及材料内部的三维加工,独特的加工优势使得飞秒激光加工逐渐应用到功能性表面制造领域。在本研究中,我们使用基于狭缝空间光整形的飞秒激光加工方法,研究了激光参数的改变对加工表面结构的影响,实现了表面形貌的可控调控,并进一步研究了大面积加工在特殊浸润特性领域的应用。本文的主要研究工作和创新点可以概括如下:(1)采用飞秒激光狭缝空间光整形的加工方法代替传统的激光直写微/纳加工,实现了材料硅表面加工形貌的可控调控。首先用Matlab对狭缝整形的菲涅尔衍射过程进行模拟,并实验验证了狭缝整形的可行性,与模拟结果的变化趋势一致。随着狭缝宽度的逐渐增加,加工各向异性形貌的长轴逐渐减小,短轴逐渐增加,轴率逐渐降低。(2)使用狭缝整形装置进一步对表面形貌进行调控,包括偏振方向、脉冲个数和激光能量的改变对加工形貌的影响。我们发现,脉冲个数和激光能量的改变只会影响加工深度,对加工形貌的轴率影响不大;而偏振角度的改变可以实现加工形貌由各向异性向各向同性的转变。在狭缝宽度固定不变时,偏振角度由0°增加到90°,加工形貌的轴率逐渐降低,尤其当狭缝宽度为1 mm时轴率下降最多,由4.05下降到2.60左右。这种现象的产生归因于狭缝整形与表面等离子体激元散射的共同作用。(3)在研究狭缝整形对表面结构调控的基础上,采用点阵法与飞行时间法进行大面积加工,加工材料包括硅以及PDMS。研究发现,在使用点阵法大面积加工材料硅时,加工表面的各向异性浸润特性随着脉冲个数的增加而逐渐变大,最高可以达到12°左右,在使用飞行时间法加工硅时,疏水性得到显著提高;当使用飞行时间法在PDMS表面进行大面积加工时,接触角可以可以在150°以上,实现超疏水。最后从Wenzel模型出发,对浸润特性的改变进行机理解释。